Cargas Elétricas e Forças: Introdução ao Eletromagnetismo

Cargas elétricas e forças Apresentação Ao observar uma tempestade você já deve ter se perguntado como surgem os raios Ou por que quando retiramos um blusão de lã em um dia seco de inverno escutamos o barulho de faíscas As respostas para essas perguntas têm como base os princípios do Eletromagnetismo o qual é o estudo das interações elétricas e magnéticas Para iniciarmos o estudo do Eletromagnetismo vamos estudar nesta unidade de aprendizagem a natureza das cargas elétricas e sua força Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Construir um modelo de carga e explicar fenômenos elétricos básicos Diferenciar os processos de eletrização Identificar as propriedades elétricas de materiais isolantes e condutores Infográfico Veja na ilustração o esquema do que veremos nesta unidade referente a cargas elétricas e forças Conteúdo do livro A leitura indicada apresenta de maneira detalhada o conceito de cargas elétricas materiais isolantes e condutores Nessa seção os processos de eletrização também são discutidos e representados através de desenhos esquemáticos que proporcionam melhor entendimento sobre o assunto Leia as páginas indicadas do seguinte livro KNIGHT R D Física Uma Abordagem Estratégica Vol 3 Porto Alegre Bookman 2009 Boa leitura RANDALL D KNIGHT RANDALL D KNIGHT VOLUME 3 ELETRICIDADE E MAGNETISMO K71f Knight Randall D Física 3 recurso eletrônico uma abordagem estratégica Randall Knight tradução Manuel Almeida Andrade Neto 2 ed Dados eletrônicos Porto Alegre Bookman 2009 Editado também como livro impresso em 2009 ISBN 9788577805532 1 Física 2 Eletricidade 3 Magnetismo I Título CDU 537 Randy Knight leciona Física básica há 25 anos na Ohio State University EUA e na Califórnia Polytechnic University onde atualmente é professor de física O professor Knight bacharelou se em Física pela Washington University em Saint Louis e doutorouse em Física pela Univer sity of Califórnia Berkeley Fez pósdoutorado no HarvardSmithsonian Center for Astrophy sics antes de trabalhar na Ohio State University Foi aí que ele começou a pesquisar sobre o ensino da física o que muitos anos depois o levou a escrever este livro Os interesses de pesquisa do professor Knight situamse na área de laser e espectroscopia com cerca de 25 artigos de pesquisa publicados Ele também dirige o programa de estudos am bientais da Cal Poly onde além de física introdutória leciona tópicos relacionados a energia oceanografia e meio ambiente Quando não está em sala de aula ou na frente de um compu tador o professor Knight está fazendo longas caminhadas remando em um caiaque tocando piano ou usufruindo seu tempo com a esposa Sally e seus sete gatos Sobre o Autor Catalogação na publicação Renata de Souza Borges CRB101922 CAPÍTULO 26 Cargas Elétricas e Forças 795 Os diagramas serão uma importante ferramenta para entender e explicar cargas e for ças sobre objetos carregados Conforme você for usando os diagramas será importante fazer uso explícito da conservação de carga A quantidade líquida de sinais positivos e de sinais negativos desenhados no seu diagrama não deverá mudar conforme você os move BOX TÁTICO 261 Desenhando diagramas de carga Faça um desenho da seção transversal bidimensional simplificada do objeto Desenhe as cargas superfíciais bem próximas da superfície do objeto Desenhe as cargas internas distribuídas uniformemente no interior do objeto Represente apenas a carga líquida Para objetos neutros não se deve indicar cargas nem uma porção de sinais positivos ou negativos Se você usar uma série de diagramas para explicar um processo conserve a carga de um diagrama para o próximo Exercícios 1013 Estas referências são do Student Workbook disponível em inglês apenas no mercado norteamericano A FIGURA 264 mostra dois exemplos de diagramas de carga O passo 5 se tornará mais claro à medida que o usarmos nos exemplos O passo 4 é de especial importância Por exemplo um objeto positivamente carregado perdeu elétrons Independentemente de como o objeto se torna eletrizado o diagrama de carga deve trazer o sinal positivo PARE E PENSE 262 Ordene em seqüência decrescente os valores das cargas de qa a qe destes cinco sistemas Próton Elétron prótons elétrons prótons elétrons Bola de vidro que perdeu 3 elétrons 263 Isolantes e condutores Você aprendeu que existem duas classes de materiais quanto às suas propriedades elétri cas a dos isolantes e a dos condutores É hora de examinar melhor esses materiais A FIGURA 265 representa os interiores de um isolante e de um condutor metálico Os elétrons do isolante estão todos fortemente ligados aos núcleos positivos e não são livres para se movimentar Carregar um isolante por fricção deixa trechos da superfície com íons moleculares mas tais íons são imóveis Em metais os elétrons atômicos externos chamados de elétrons de valência em quí mica estão ligados apenas fracamente ao núcleo Quando os átomos se aproximam para formar um sólido estes elétrons se desprendem de seus núcleos de origem e tornamse livres para se mover através do sólido inteiro O sólido como um todo permanece eletri camente neutro porque nenhum elétron foi adicionado ou removido durante o processo todavia agora os elétrons se parecem com um gás ou um líquido negativamente carrega do o que os físicos gostam de denominar mar de elétrons que permeia uma rede de caroços iônicos positivamente carregados A conseqüência imediata dessa estrutura é que os elétrons são altamente móveis em um metal Eles podem rápida e facilmente se mover através do metal em resposta a forças elétricas exercidas O movimento de cargas através de um material é o que cha mamos de corrente e as partículas com carga que realmente se movem são chamadas de portadores de carga Em um metal os portadores de carga são os elétrons Os metais não são os únicos condutores que existem As soluções iônicas como a água salgada também são bons condutores Mas os portadores de carga em uma solução iônica são íons e não elétrons Manteremos nossa atenção sobre os condutores metáli cos devido à sua importância nas aplicações elétricas Seção transversal de um condutor carre gado positivamente Seção transversal de um isolante carregado negativa mente A carga líquida positiva está espa lhada internamente próxima à superfície A carga líquida negativa está imóvel sobre a superfície FIGURA 264 Diagramas de carga Isolante Elétrons do caroço Elétrons de valência Núcleo Os elétrons de valência estão fortemente ligados Metal Íons positivos do caroço Os elétrons de valência formam um mar de elétrons FIGURA 265 Uma visão microscópica dos isolantes e condutores Dica do professor Acompanhe no vídeo a seguir uma síntese dos conceitos trabalhados nesta unidade Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 Metais como o alumínio e o cobre de modo geral são bons condutores de eletricidade e também são bons condutores de calor Você acha que existe alguma relação entre as condutividades elétricas e térmicas desses materiais Por quê A Não Estas propriedades independem uma da outra B Sim porque as condutividades térmicas e elétricas estão diretamente relacionadas aos elétrons livres presentes nesses materiais C Sim porque as condutividades térmicas e elétricas estão diretamente relacionadas ao número de nêutrons presentes nesses materiais D Não Materiais como o alumínio e o cobre têm um comportamento atípico E Sim porque as condutividades térmicas e elétricas estão diretamente relacionadas ao número de átomos desses materiais 2 O átomo é composto de elétrons núcleo e uma ampla região com espaços vazios O núcleo por sua vez contém dois tipos de núcleons os prótons e os nêutrons que são compostos de partículas ainda menores denominadas quarks Existem seis tipos de quarks conhecidos como up down strange charm bottom e top Um próton é formado por dois quarks up e um quark down já um nêutron é formado por um quark up e dois quarks down A partir dessas informações é possível afirmar que um átomo do elemento químico lítio presente na bateria dos celulares que possui 3 prótons e 4 nêutrons é formado por um total de A 3 quarks up e 3 quarks down B 6 quarks up e 3 quarks down C 4 quarks up e 8 quarks down D 11 quarks up e 10 quarks down E 10 quarks up e 11 quarks down 3 Duas folhas de um mesmo tipo de papel são atritadas entre si Elas ficarão eletrizadas Por quê A Sim porque se os corpos são compostos da mesma substância ao serem atritados haverá transferência de elétrons de um corpo para outro e um deles será carregado eletricamente B Não porque se os corpos são compostos da mesma substância ao serem atritados não haverá transferência de elétrons de um corpo para outro e eles permanecerão como estão C Não porque se os corpos são compostos da mesma substância ao serem atritados não haverá transferência de prótons de um corpo para outro e eles permanecerão como estão D Não porque se os corpos são compostos da mesma substância ao serem atritados não haverá transferência de nêutrons de um corpo para outro e eles permanecerão como estão E Sim porque se os corpos são compostos da mesma substância ao serem atritados ocorrerá a repulsão entre eles 4 Um íon de bário possui 56 prótons 76 nêutrons e 54 elétrons Determine a quantidade de carga elétrica desse íon sabendo que e 161019 C A 864 1019 C B 896 1019 C C 48 1019 C D 16 1019 C E 32 1019 C 5 Suponha que dois bastões de vidro são atritados com seda e após um deles é preso e suspenso por uma corda neutra Quando o bastão que está solto se aproxima do bastão suspenso ocorre a repulsão entre eles A repulsão ocorre porque após atritados os bastões ficaram A Neutros B Aquecidos C Carregados com cargas de mesmo sinal D Com tamanho maior devido à dilatação térmica E Carregados com cargas de sinais contrários Na prática Pintura eletrostática Vamos ver agora o que é e para quê se utiliza a pintura eletrostática Sempre vemos diversos carros de diferentes cores circulando pelas ruas Agora você saberia dizer como eles são pintados Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor BAUER W WESTFALL G D DIAS H Física para universitários eletricidade e magnetismo Porto Alegre AMGH 2012 Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Introdução Carga Elétrica Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Carga e Força Elétrica Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar